采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)

內(nèi)容概要

　　《采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)》是國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃)項目的主要研究成果，書中詳細(xì)闡述了采動煤巖體裂隙場時空演化、采動煤巖體與瓦斯流動場的耦合效應(yīng)及其在工程中的應(yīng)用，全書共分6章，包括緒論、采動煤巖體裂隙場時空演化、采動煤巖體滲透特性研究、采動煤巖體多場耦合效應(yīng)研究、煤巖體多場耦合數(shù)值模擬研究、耦合理論在瓦斯抽放中的應(yīng)用。
　　《采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)》適合從事煤巖瓦斯動力災(zāi)害防治的科研人員、工程技術(shù)人員、高等院校教師、研究生和本科高年級學(xué)生閱讀。

書籍目錄

前言
第1章　緒論
1.1　研究對象
1.2　研究意義
1.3　研究現(xiàn)狀
1.3.1　采動煤巖體應(yīng)力場及裂隙演化過程研究進(jìn)展
1.3.2　煤層瓦斯?jié)B流理論研究進(jìn)展
1.3.3　煤層瓦斯?jié)B流理論在采礦工程中的應(yīng)用
1.4　研究內(nèi)容與研究方法
1.4.1　研究內(nèi)容
1.4.2　研究方法
第2章　采動煤巖體裂隙場時空演化
2.1　煤巖地質(zhì)特征與賦存環(huán)境
2.1.1　煤巖力學(xué)特性
2.1.2　煤巖結(jié)構(gòu)特征
2.2　采動煤巖體應(yīng)力殼與裂隙的動態(tài)效應(yīng)
2.2.1　應(yīng)力殼力學(xué)特征、演化特征及其采厚效應(yīng)
2.2.2　不同采厚采動裂隙時空演化特征
2.2.3　應(yīng)力殼與采動裂隙的動態(tài)效應(yīng)
2.3　采動煤巖體裂隙場時空演化規(guī)律
2.3.1　采動煤巖裂隙場演化規(guī)律現(xiàn)場觀測及描述
2.3.2　采動煤巖裂隙場演化規(guī)律相似模擬及描述
2.3.3　覆巖裂隙場演化的定量描述
2.3.4　覆巖裂隙場演化的應(yīng)力機(jī)制分析
2.3.5　覆巖裂隙場演化的影響因素分析
2.3.6　煤巖裂隙演化規(guī)律理論分析
2.3.7　開采過程中煤巖裂隙場演化規(guī)律數(shù)值模擬
2.4　本章小結(jié).
第3章　采動煤巖體滲透特性研究
3.1　煤巖滲透性的實驗室研究.
3.1.1　煤巖滲透性的應(yīng)力敏感性
3.1. 2　原煤破壞過程中的瓦斯?jié)B透規(guī)律研究
3.1.3　變圍壓及煤變形破壞過程中滲透規(guī)律試驗研究
3.2　采動煤巖體滲透特性
3.2.1　采動影響下煤巖體內(nèi)瓦斯流動分析
3 2.2　氣體示蹤技術(shù)相關(guān)研究
3.2.3　現(xiàn)場觀測儀器的選擇t
3.2.4　五陽煤礦采動條件下煤體滲透率研究
3.3　本章小結(jié)
第4章　采動煤巖體多場耦合效應(yīng)研究
4.1　采動圍巖裂隙場與瓦斯流動場耦合效應(yīng)
4.1.1　冒落帶內(nèi)瓦斯流動與匯集規(guī)律
4. 1.2　裂隙帶瓦斯匯集規(guī)律
4.1.3　彎曲下沉帶瓦斯流動與匯集規(guī)律
4.1.4　下伏煤巖瓦斯運移、匯集規(guī)律
4.1.5　特殊地質(zhì)條件下瓦斯運移、匯集規(guī)律
4.2　煤層應(yīng)力場、裂隙場與瓦斯流動場耦合效應(yīng)
4.2.1　應(yīng)力場、裂隙場與瓦斯關(guān)系的預(yù)測
4.2.2　應(yīng)力場、裂隙場與瓦斯關(guān)系的驗證
第5章　煤巖體多場耦合數(shù)值模擬研究
5.1　遠(yuǎn)程采動煤巖體變形與瓦斯流動氣固耦合模型
5.1.1　采動煤巖體彈脆塑性損傷本構(gòu)模型
5.1.2　采動彈脆塑性損傷本構(gòu)模型的開發(fā)
5.1.3　采動煤巖體變形數(shù)學(xué)模型
5.1.4　遠(yuǎn)程卸壓瓦斯運移物理模型
5.1.5　卸壓瓦斯運移數(shù)學(xué)模型
5.1.6　采動煤巖體氣固耦合變量
5.2　煤巖體裂隙場與滲流場耦合過程數(shù)值模擬
5.2.1　煤體采動裂隙場演化過程中煤體滲透性的變化分析
5.2.2　煤體瓦斯?jié)B流一應(yīng)力耦合方程建立
5.2.3　煤體采動裂隙場演化過程中瓦斯流動的數(shù)值模擬
5.2.4　煤巖體裂隙場瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬研究
5.2.5　采動裂隙場瓦斯?jié)B流數(shù)值模擬研究
第6章　耦合理論在瓦斯抽放中的應(yīng)用
6.1　采動煤巖體變形與瓦斯流動氣固耦合模型的應(yīng)用
6.1.1　數(shù)值試驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建
6.1.2　氣固耦合效應(yīng)分析
6.2　采動裂隙場對瓦斯抽放影響的數(shù)值模擬及其應(yīng)用
6.2.1　工程應(yīng)用背景概況
6.2.2　煤層瓦斯抽放數(shù)值模擬
6.3　本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章　緒　　論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在能源開采中涉及了一系列復(fù)雜的多孔介質(zhì)多場耦合 作用的科學(xué)與工程命題，如煤層開采導(dǎo)致頂?shù)装逅蓜樱瑴\層水沿孔隙裂隙涌入工 作面，奧灰水沿裂隙突出；煤層中瓦斯沿孔隙裂隙滲出，進(jìn)入采掘空間而引起瓦 斯爆炸等重特大事故。這些工程實際問題促進(jìn)了采礦工程、巖石力學(xué)和滲流力學(xué) 之間的交叉與融合，特別是20世紀(jì)90年代開始的裂隙巖體多相多物理場耦合問 題的研究，凝練了采礦過程中煤巖變形與破壞的關(guān)鍵科學(xué)問題，豐富了礦山巖石 力學(xué)與礦業(yè)工程學(xué)科的理論、方法與技術(shù)。 采動條件下煤巖介質(zhì)應(yīng)力場、裂隙場與瓦斯流動場耦合效應(yīng)的研究以煤巖 體為主要研究對象，以煤巖體賦存環(huán)境為研究基礎(chǔ)，以現(xiàn)場、實驗室試驗和數(shù) 值模擬為主要研究手段，以煤巖體應(yīng)力、裂隙演化和瓦斯在煤巖介質(zhì)中的流動 為主要研究問題，以揭示在采動條件下煤巖體變形破壞、瓦斯流動為主要研究 目標(biāo)。采動條件下多場耦合效應(yīng)研究涉及采礦工程、巖石力學(xué)、滲流力學(xué)等多 個學(xué)科，是典型的多學(xué)科交叉研究命題。經(jīng)過近些年的研究，結(jié)合我國采礦工 程中煤巖動力災(zāi)害防治技術(shù)，將煤巖體應(yīng)力場、裂隙場與滲流場共同考慮，研 究采動過程中煤巖介質(zhì)裂隙場演化規(guī)律、應(yīng)力場與滲流場耦合機(jī)理、耦合模型 與數(shù)值模擬，初步形成了采動條件下煤巖介質(zhì)多場耦合效應(yīng)研究的基本理論與 分析方法。 1.1　研究對象 采動煤巖體多場耦合效應(yīng)的主要研究對象為煤巖體，以采礦工程煤巖介質(zhì)中 裂隙場與滲流場耦合效應(yīng)為研究目標(biāo)，著重研究采礦活動對煤巖體應(yīng)力、裂隙、 滲流的影響。煤巖體作為采礦工程、巖石力學(xué)等學(xué)科的主要研究對象，其地質(zhì)特 征、力學(xué)特性以及工程特性既是耦合效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，也是科學(xué)工作者面臨的關(guān) 鍵問題。 在地質(zhì)特征方面，煤巖體是經(jīng)過地質(zhì)作用改造過的，由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體所組 成并具有一定結(jié)構(gòu)特征的，賦存于物理地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。煤作為一種典型的 巖石，當(dāng)將其稱為“煤巖體”時，它至少具有巖體所具有的三層含義：一是煤巖 體在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)受過復(fù)雜的內(nèi)外動力地質(zhì)作用，煤巖體中發(fā)育了各種地質(zhì) 構(gòu)造；二是煤巖體的基本組分可以用結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體進(jìn)行表征，其中結(jié)構(gòu)面用于 對節(jié)理、裂隙、斷層、夾層及層間剪切錯動帶等構(gòu)造形跡的抽象，結(jié)構(gòu)體則是由 結(jié)構(gòu)面切割所形成的巖塊，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系決定了煤巖體結(jié)構(gòu)類 型；三是煤巖體總是與一定的物理地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系，地應(yīng)力場、滲流場及地溫度 場是煤巖體賦存的主要環(huán)境，煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)除受巖體結(jié)構(gòu)控制外，還受 其賦存環(huán)境的影響。 在力學(xué)特性方面，煤巖體是非均勻、不連續(xù)、各向異性的介質(zhì)。煤巖體的不 連續(xù)性源于巖體中發(fā)育的各級各類結(jié)構(gòu)面，在實際問題中常被簡化為等效連續(xù)介 質(zhì)。煤巖體的組成，包括巖性及工程地質(zhì)巖組等決定了煤巖體的非均勻程度、結(jié) 構(gòu)面及其組合形式，特別是煤巖體結(jié)構(gòu)類型和賦存環(huán)境決定了煤巖體的各向異性 和變形特征。 在工程性質(zhì)方面，煤巖體是工程利用和改造的對象，通過工程作用使煤巖體 的變形、強(qiáng)度特性、滲流特性滿足人類工程需要。煤巖體的工程性質(zhì)主要指煤巖 體的承載能力、滲透能力。 煤巖體的地質(zhì)特征揭示了其成因、組成、賦存環(huán)境和演化的歷史；煤巖體的 力學(xué)特性介于地質(zhì)特征和工程性質(zhì)之間，揭示了煤巖體變形和破壞的機(jī)理和規(guī) 律；煤巖體的工程性質(zhì)體現(xiàn)了工程的客觀要求及巖體對工程的適應(yīng)能力。因此， 煤巖體地質(zhì)特征是物質(zhì)基礎(chǔ)，煤巖體力學(xué)特性是科學(xué)問題，巖體工程性質(zhì)是研究 目標(biāo)。 1.2　研究意義 煤炭作為我國的主要能源，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極其重要的位置。煤礦 開采深度不斷增加，煤層瓦斯含量加大，煤巖層動力災(zāi)害增多，煤層賦存條件 不斷惡化，給煤礦的安全高效開采提出了嚴(yán)峻的課題。特別是近十多年來，隨 著厚及特厚煤層的綜采放頂煤、大采高等高強(qiáng)度開采技術(shù)的推廣應(yīng)用，煤礦 重、特大事故，尤其是瓦斯事故時有發(fā)生，如2003年5月13日淮北蘆嶺煤礦 因頂板沖擊引起采空區(qū)瓦斯噴出導(dǎo)致瓦斯爆炸，2004年10月20日鄭州大平 煤礦因煤與瓦斯突出引起瓦斯爆炸，2004年11月28日陜西陳家山煤礦綜放 開采自然發(fā)火引發(fā)瓦斯爆炸，2005年2月14日遼寧孫家灣煤礦綜放開采引發(fā) 礦震導(dǎo)致的瓦斯爆炸等。盡管這些事故大多最終表現(xiàn)為瓦斯爆炸，但進(jìn)一步分 析可以看到，這些事故的共同特點是發(fā)生事故工作面的煤層條件為厚及特厚煤 層，所采用綜采放頂煤、大采高等高強(qiáng)度開采方法。同時還應(yīng)注意到，在這些 重特大事故分析中，只關(guān)注形成瓦斯爆炸的直接原因，而經(jīng)常忽略瓦斯爆炸的 間接原因，如具有爆炸危險的瓦斯是如何流動與涌出的。近年來，由于煤礦回 ?2?采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng) 采工作面支護(hù)與回采裝備水平的提高，忽略了綜采放頂煤、大采高等高強(qiáng)度開 采條件下頂板巖層垮斷時空特性的重要性及其對沖擊地壓和瓦斯流動、涌出的 影響。事實上，綜采放頂煤、大采高等高強(qiáng)度開采的特點，使得采動影響范圍 和空間擴(kuò)大，煤巖層的垮斷規(guī)律、采動應(yīng)力場時空演化過程與發(fā)生沖擊地壓的 條件及其對瓦斯流動、涌出的影響等發(fā)生根本性改變，建立在薄、中厚及厚煤 層分層開采條件下的巖層控制理論（壓力拱假說、懸臂梁假說、鉸接巖塊假 說、“砌體梁”理論等）是否能夠指導(dǎo)厚及特厚煤層綜采放頂煤、大采高等高 強(qiáng)度開采則是一個急需探討的問題。這不僅直接影響厚及特厚煤層高強(qiáng)度開采 條件下的采動應(yīng)力場分布規(guī)律及沖擊地壓的發(fā)生，而且也關(guān)系到研究煤巖層垮 斷、采動應(yīng)力場的時空演化過程，掌握瓦斯的流動、涌出與巖層垮斷及采動裂 隙場的時空相關(guān)性，是進(jìn)而控制瓦斯突出、瓦斯爆炸等重特大事故發(fā)生的理論 基礎(chǔ)。 在煤巖層的垮斷規(guī)律、采動應(yīng)力場時空演化過程及其對瓦斯流動、涌出的影 響方面，繆協(xié)興等（2004）對高壓條件下峰后巖體滲流的非線性行為進(jìn)行了相關(guān) 研究，并提出了采動巖體滲流理論；鮮學(xué)福（1993）建立了煤層瓦斯流動理論及 滲流控制方程；俞啟香等（2000）總結(jié)了我國煤礦瓦斯涌出的基本規(guī)律。盡管國 內(nèi)外學(xué)者對此開展了部分相關(guān)研究，但主要研究裂隙場與瓦斯的相互耦合作用及 瓦斯?jié)B流理論。而對高強(qiáng)度開采條件下巖層垮斷與采動應(yīng)力場的時空演化規(guī)律及 其對瓦斯流動涌出的影響的研究鮮有報道。 采動裂隙場與瓦斯流動場的相互作用關(guān)系是我國煤層瓦斯采動抽放的理論基 礎(chǔ)，因為我國開采的煤層大多屬于石炭二疊紀(jì)的煤層，開采深度大（華東地區(qū)平 均開采深度已經(jīng)超過600m），瓦斯壓力大，瓦斯含量高，煤層透氣性低，地質(zhì)構(gòu) 造復(fù)雜，煤層瓦斯不易在采前抽放?！笆濉逼陂g的瓦斯抽采工程實踐證明，在 煤炭資源開采過程中，工作面周圍的煤巖體形成了一定的采動裂隙，該采動裂隙 促進(jìn)了煤巖體中的瓦斯解吸和流動，從而形成了瓦斯采動抽采的條件。保護(hù)層開 采及強(qiáng)化抽采瓦斯實踐的成功，充分說明瓦斯的采動抽采是目前瓦斯治理工作的 主要技術(shù)途徑之一。 采動煤巖裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)的研究，可以豐富巖體力 學(xué)、流體動力學(xué)、流固耦合理論等多學(xué)科的內(nèi)涵，使其能更好地為解決工程實際 問題服務(wù)；可為有效預(yù)測預(yù)防瓦斯動力災(zāi)害的技術(shù)和方法奠定理論基礎(chǔ)。同時采 用大量近年發(fā)展起來的新的實驗測試、現(xiàn)場監(jiān)測手段驗證、證實機(jī)理與機(jī)制，有 利于預(yù)測、預(yù)報、評價、治理等重大科學(xué)問題的進(jìn)一步研究。本書對這些科學(xué)問 題的探討屬于前瞻性應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，并已在瓦斯災(zāi)害治理中得到應(yīng)用，具有 重要的學(xué)術(shù)價值和推廣前景。 第1章　緒　　論?3? 1.3　研究現(xiàn)狀 1?3?1　采動煤巖體應(yīng)力場及裂隙演化過程研究進(jìn)展 綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代初的歐洲，而發(fā)展且成熟 于20世紀(jì)80年代的中國。實踐證明，它是開采厚及特厚煤層行之有效的方法之 一，但是，煤層的高強(qiáng)度開采不僅給煤礦安全生產(chǎn)帶來很多難題，而且給巷道的 支護(hù)、頂板管理和圍巖控制帶來一系列問題，由此引發(fā)了對采場上覆巖層應(yīng)力場 及裂隙演化的基本理論研究。 1.采場上覆巖層應(yīng)力場及裂隙演化基本理論研究進(jìn)展 地下礦體的采出必定會引起采場圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起圍巖的 變形、破壞以及運動，從而導(dǎo)致圍巖裂隙存在狀態(tài)的改變。 錢鳴高在鉸接巖塊學(xué)說和預(yù)成裂隙梁假說的基礎(chǔ)上，借助大屯孔莊礦開采后 巖層內(nèi)部移動觀測資料，研究了裂隙帶巖層形成結(jié)構(gòu)的可能性和結(jié)構(gòu)的平衡條 件，提出了上覆巖層開采后呈“砌體梁”式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。該理論認(rèn)為采 場上覆巖層的巖體結(jié)構(gòu)主要是由多個堅硬巖層組成，每個分組中的軟巖可視為堅硬 巖層上的荷載，此結(jié)構(gòu)具有滑落和回轉(zhuǎn)變形兩種失穩(wěn)形式。該研究的意義主要在 于，上覆巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)與平衡條件的提出為論證采場礦山壓力控制參數(shù)奠定了基 礎(chǔ)?？妳f(xié)興、錢鳴高給出了關(guān)于“砌體梁”的全結(jié)構(gòu)模型（見圖1.1），并對全 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，得出了“砌體梁”的形態(tài)、受力的理論解以及“砌體梁” 排列的擬合曲線。 圖1.1　采場上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu) 宋振騏（1988）在大量現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上，建立并逐步完善了以巖層運動為 中心，預(yù)測預(yù)報、控制設(shè)計和控制效果判斷二位一體的實用礦壓理論體系。礦壓 界也稱之為“傳遞巖梁”理論。這一理論的重要貢獻(xiàn)在于，揭示了巖層運動與采 ?4?采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng) 動支承壓力的關(guān)系，明確提出了內(nèi)外應(yīng)力場的觀點，并以此為基礎(chǔ)，提出了系統(tǒng) 的采場來壓預(yù)報理論和技術(shù)；提出了“限定變形”和“給定變形”為基礎(chǔ)的位態(tài) 方程（支架圍巖關(guān)系），以及系統(tǒng)的頂板控制設(shè)計理論和技術(shù)。 在“砌體梁”和“傳遞巖梁”理論的基礎(chǔ)上，姜福興通過大量現(xiàn)場觀測、實 驗室研究和理論研究，基于“巖層質(zhì)量的量變引起老頂結(jié)構(gòu)形式質(zhì)變”的觀點， 提出了基本頂存在類拱、拱梁和梁式三種基本結(jié)構(gòu)，以及定量診斷老頂結(jié)構(gòu)形式 的巖層質(zhì)量指數(shù)法（姜福興，1993，1994）。在此基礎(chǔ)上，姜福興采用專家系統(tǒng) 原理實現(xiàn)了計算機(jī)自動分析柱狀圖，得出老頂結(jié)構(gòu)的形式和直接頂?shù)倪\動參數(shù)， 進(jìn)而實現(xiàn)頂板控制的定量設(shè)計。這一成果已在數(shù)百個煤礦應(yīng)用。三種基本結(jié)構(gòu)的 觀點是基于定量和系統(tǒng)分析方法提出的，“砌體梁”相當(dāng)于基本結(jié)構(gòu)中的拱梁結(jié) 構(gòu)，“傳遞巖梁”相當(dāng)于基本結(jié)構(gòu)中的梁式結(jié)構(gòu)（見圖1.2），類拱結(jié)構(gòu)則是指由 較軟巖層組成的老頂。在三種不同的基本頂結(jié)構(gòu)中，類拱結(jié)構(gòu)下不可預(yù)報來壓， 拱梁結(jié)構(gòu)下可預(yù)報來壓，梁式結(jié)構(gòu)下可準(zhǔn)確預(yù)報來壓；對梁式結(jié)構(gòu)老頂而言，基 本頂結(jié)構(gòu)以斷裂失穩(wěn)為主，巖塊斷裂長度即來壓步距；而對類拱結(jié)構(gòu)老頂而言， 則以變形失穩(wěn)為主，失穩(wěn)步距為周期來壓步距，拱梁結(jié)構(gòu)老頂具有兩者的特點， 并進(jìn)一步提出了不同基本頂結(jié)構(gòu)形式下各種支架圍巖關(guān)系。 圖1.2　梁式結(jié)構(gòu)的兩種形式 姜福興等（2005）通過研究四面孤島開采礦壓控制技術(shù)，認(rèn)為四面采空孤島 采場越來越成為深部和老礦井的重大安全隱患；專題研究這類采場的礦壓控制問 題具有重要的理論和實用價值，并提出了三種典型的四面采空“孤島”的開采地 質(zhì)條件；將四面采空孤島采場覆巖視為多層空間結(jié)構(gòu)，有助于正確認(rèn)識巖層運動 規(guī)律及其與采動應(yīng)力場的關(guān)系，在理論上做出合理的分析。 潘一山等（2003）深入研究了采動對斷層附近應(yīng)力場的影響，建立了斷層沖 擊地壓簡單模型，采用有限元的方法進(jìn)行了分析，如圖1.3所示，得出了以下兩 方面的結(jié)論：開采后，位于煤層底板部位斷層的正應(yīng)力減小，剪應(yīng)力也減小，但 正應(yīng)力減小的幅度遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力減小的幅度，因此，在斷層部位，開采引起的斷 層應(yīng)力變化以正應(yīng)力減小為主；開采后，位于煤層頂板部位的斷層剪應(yīng)力增加， 正應(yīng)力也增加，但剪應(yīng)力增加的幅度遠(yuǎn)大于正應(yīng)力增加的幅度，因此，在斷層部 位，開采引起的斷層應(yīng)力變化以剪應(yīng)力為主。 第1章　緒　　論?5? 圖1.3　開采對斷層應(yīng)力影響的分析模型 煤炭科學(xué)研究總院齊慶新（1996）從煤巖層狀結(jié)構(gòu)這一特點出發(fā)，采用有限 元方法對水平煤層、單一煤層、多煤層、硬頂、硬底、硬煤以及存在軟弱層和節(jié) 理等結(jié)構(gòu)面的煤層進(jìn)行了采動應(yīng)力狀態(tài)研究。結(jié)果表明，無論是單一煤層還是多 煤層開采，采掘空洞周圍應(yīng)力發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中區(qū)域；煤層 卸載爆破可能導(dǎo)致局部范圍的煤巖體應(yīng)力集中程度明顯下降，應(yīng)力峰值位置移向 煤體深部，支承壓力的影響范圍明顯擴(kuò)大；結(jié)構(gòu)面對煤巖體應(yīng)力分布規(guī)律的影響 是極為顯著的。齊慶新等（1995，1997）針對采動應(yīng)力作用下煤巖體相對滑動 也做了大量的研究，結(jié)果表明：摩擦與滑動特性是非常重要的一種力學(xué)特性， 在巖石的摩擦滑動現(xiàn)象中，存在著兩種形式的滑動，即穩(wěn)定滑動和黏滑（不穩(wěn) 定滑動）。穩(wěn)定滑動是指滑動過程中滑移而上的剪應(yīng)力不會發(fā)生隨著滑移面的 滑動而急劇增大或減小，而是基本保持不變的平穩(wěn)滑動；黏滑是指滑動過程中 滑移而上的剪應(yīng)力不斷出現(xiàn)隨著滑移滑動而急劇增大和減小的過程，這種移面 的滑動是在剪切力增大和減小過程中的急劇滑動，表現(xiàn)為滑移面之間的不穩(wěn)定 滑動。 煤炭科學(xué)研究總院閆少宏等（1996）基于放頂煤開采上覆巖塊運動特點引入 有限變形力學(xué)理論，提出了上位巖層結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性的定量判別式，并根據(jù)結(jié)構(gòu)面 極限擠壓角的概念、擠壓角與層面彎矩的關(guān)系，分析了放頂煤開采上覆巖層平衡 結(jié)構(gòu)向高位轉(zhuǎn)移的原因。 陳學(xué)華（2002）具體研究了工作面開采時煤柱尺寸對采動應(yīng)力分布的影響。 通過計算分析得到以下結(jié)論：采動應(yīng)力曲線在向深部煤體轉(zhuǎn)移過程中，峰值應(yīng)力 逐漸變小，而作用范圍逐步增大；隨著采深的增加，峰值應(yīng)力集中系數(shù)增大，采 動應(yīng)力影響范圍和深入煤壁距離都增大；隨著煤層力學(xué)性質(zhì)變差，強(qiáng)度降低，彈 ?6?采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng) 性模量變小，采動應(yīng)力的影響范圍逐漸變大，?向采動應(yīng)力峰值強(qiáng)度集中系數(shù)變 小，最大峰值點向煤壁轉(zhuǎn)移距離?max增大；隨著煤層厚度增加，?向采動應(yīng)力 集中系數(shù)變小，而影響范圍和峰值點深入煤壁尺寸都相應(yīng)增大；隨著上覆巖層 壓力角增加，即隨著上覆巖層變硬，采動應(yīng)力峰值集中系數(shù)降低，其影響范圍 和深入煤壁距離都降低；隨著煤柱尺寸減小，在煤柱中采動應(yīng)力的集中系數(shù)相 應(yīng)增加。 采場覆巖層屬于沉積巖層，一般有一層或幾層較為堅硬的厚巖層在整個上覆 巖體的變形與破壞中起主要的控制作用，這種巖層稱為關(guān)鍵層（keystratum） （涂敏等，2004）。在采動過程中，關(guān)鍵層下部將產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的連續(xù)變形，形成巖 層移動中的離層和各種裂隙分布。從力學(xué)機(jī)制上講，離層是由于上、下巖層的抗 彎剛度不同，相鄰巖層之間必然產(chǎn)生法向位移。當(dāng)上位巖層的抗彎剛度大于下位 巖層時，則會產(chǎn)生離層運動；當(dāng)上位巖層的抗彎剛度小于下位巖層時，則形成組 合運動；而巖層的抗彎剛度又取決于巖層的彈性模量和厚度。當(dāng)相鄰的上下巖層 抗彎剛度接近時，由于覆巖的變形是由下至上逐層遞進(jìn)發(fā)展的，故也會產(chǎn)生短期 的離層。 采動裂隙場因采場上覆巖層隨工作面的推進(jìn)而形成，由于在不同的區(qū)域上覆 巖層受力的形式及位置不同，具體的裂隙場也可分為工作面上方裂隙場和采空區(qū) 上方裂隙場。其中，前者主要是受到超前支承壓力的作用，使煤體原巖應(yīng)力發(fā)生 巨大變化而形成的；而后者是煤體支承力突然消失后，采空區(qū)上覆巖層負(fù)重完全 作用在頂板上，形成了“砌體梁”結(jié)構(gòu)，從而使頂板裂隙的形態(tài)同煤壁前方裂隙 完全不同（李樹剛等，1999）。 錢鳴高等（1995，1998）應(yīng)用模型試驗、圖像分析、離散元模擬等方法對 上覆巖層采動裂隙分布特征進(jìn)行了研究，揭示了長壁工作面覆巖采動裂隙的兩 階段發(fā)展規(guī)律與“O”形圈分布特征，并將其用于指導(dǎo)卸壓瓦斯抽放鉆孔布 置，在淮北礦區(qū)卸壓瓦斯抽放中得到應(yīng)用并取得了顯著效果，從而得出了以下 結(jié)論：在一定的開采條件下，巖層的硬度、厚度、斷塊長度及層序是影響上覆 巖層離層裂隙分布的主要因素，覆巖關(guān)鍵層下的離層裂隙最為發(fā)育；隨著采煤 工作面的推進(jìn)，覆巖離層裂隙的分布呈現(xiàn)兩階段規(guī)律，第一階段離層裂隙在采 空區(qū)中部最為發(fā)育，其最大離層率是第二階段的數(shù)倍，第二階段采空區(qū)中部離 層裂隙趨于壓實，而采空區(qū)四周存在一個離層裂隙發(fā)育的“O”形圈；采動裂 隙“O”形圈是卸壓瓦斯流動的通道和貯存空間，為了大面積、長時間抽放泄 壓瓦斯，抽放孔應(yīng)打到“O”形圈內(nèi)，且第一鉆場應(yīng)布置在離層裂隙分布的第 一階段的區(qū)域內(nèi)。 涂敏等（2004）應(yīng)用理論分析、模擬分析等手段把瓦斯運移和采場礦壓相結(jié) 合，研究綜放開采過程中采場上方覆巖離層裂隙發(fā)育的變化規(guī)律，闡述采場上方 第1章　緒　　論?7? 

編輯推薦

齊慶新、李宏艷、劉洪永、楊科、孫維吉編著的《采動應(yīng)力裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應(yīng)(精)》內(nèi)容介紹：本書緊緊圍繞采動條件下應(yīng)力場、裂隙場與瓦斯流動場及其相互耦合效應(yīng)研究這一主線，針對采動應(yīng)力場與瓦斯?jié)B流場耦合等國內(nèi)外研究熱點問題，系統(tǒng)研究了采動應(yīng)力場、采動裂隙場、采動瓦斯?jié)B流場。全書共6章；第1章緒論；第2章采動煤巖體裂隙場時空演化；第3章采動煤巖體滲透特性研究；第4章采動煤巖體多場耦合效應(yīng)研究；第5章煤巖體多場耦合數(shù)值模擬研究；第6章耦合理論在瓦斯抽放中的應(yīng)用。

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